（环境科学专业论文）工业废水好氧颗粒污泥的培养研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nv i e wo fn o wm o s to ft h es t u d i e so na e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew e r eo nt h e l a b o r a t o r y - s c a l es t a g eo nh o m ea n da b o a r da n du s i n gs y n t h e t i cw a s t e w a t e r s 、析n l s i m p l ec o m p o s i t i o n sf o re x p e r i m e n t s ，a n dt h eh e i g h tt od i a m e t e rr a t i o ( h d ) o f r e a c t o r i sv e r yl a r g e i nt h i ss t u d y ，t h ei n f l u e n tw a t e rf o re x p e r i m e n tw a sd r a w e da ta c h e m i c a l f a c t o r y a f t e ra n a e r o b i ct r e a t m e n ta n dt h e f a c t o r y w a sp r o d u c i n g h y d r o x y e t h y lc e l l u l o s e ，a n dt h es e e ds l u d g ew a sf r o mt h er e t u r ns l u d g eo fc a r r i e r b i o f i l mr e a c t o r w ed e s i g n e dt w os e t so fs e q u e n t i a la i r l i f tb i o r e a c t o r s 、析t hd i f f e r e n t s c a l e sw h i c hm a r k e dr 1a n dr 2 ，t h er e a c t o r sw e r er u ns i m u l t a n e o u s l yf o rt h e c u l t i v a t i o na n dt h ep o l l u t a n tr e m o v a le f f i c i e n c yo fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e m a i n c o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ee f f e c t i v ev o l u m eo fr 1w a s8 0 l ，t h eh dw a s4 ，t h ef l o ww a s16 0 l d ； t h ee f f e c t i v ev o l u m eo fr 2w a s6 0 0 l ，t h eh dw a s4t o o ，t h ef l o ww a s1 2 m 3 d r 1 a n dr 2r a ns i m u l t a n e o u s l ya n dt h eq u a l i t yo fi n f l u e n tw a t e rw e r et h es a m e ，o r g a n i c l o a d i n gr a t ew a s4 k g m 3 d ；s m a l lg r a n u l a rs l u d g ew h i c hd i a m e t e rw a sg r e a t e rt h a n 0 1m m b e g a n t oe m e r g ea t14 md a y a f t e r2 6d a y s ，t h ed i a m e t e ri n c r e a s e dt o0 3 m m a tt h e5 0 伽d a yo ft h er e a c t i o n ，t h ec u l t i v a t i o no fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei nr 1r e a c t o r r e a c h e dt om a t u r ep h a s e ，a n dt h em a s sf r a c t i o no ft h eg r a n u l a rs l u d g ew h i c hd i a m e t e r w e r eb e t w e e n1 o 1 5 m mw a s4 2 ，w h e nt h em a s sf r a c t i o no ft h eg r a n u l a rs l u d g e d i a m e t e rw e r eb i g g e rt h a n0 2 5 m mw a s9 0 s m a l lg r a n u l a rs l u d g ew h i c hd i a m e t e r w a sg r e a t e rt h a no 1m mb e g a nt oe m e r g ea t37 md a y i nr 2r e a c t o r a f t e r7 4d a y s ，t h e d i a m e t e ri n c r e a s e dt o0 3 m m a tt h e13 0 协d a yo ft h er e a c t i o n t h ec u l t i v a t i o no f a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ei nr 1r e a c t o rr e a c h e dt om a t u r ep h a s e ，a n dt h em a s sf r a c t i o n o ft h eg r a n u l a rs l u d g ew h i c hd i a m e t e rw e r eb e t w e e n0 5 - 1 0 m mw a s4 2 ，a n dt h e m a s sf r a c t i o no ft h eg r a n u l a rs l u d g ew h i c hd i a m e t e rw e r eb i g g e rt h a no 2 5 m mw a s 8 8 2 d u r i n gt h ef o r m a t i o no fa e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ，t h em l s si nr 1a n dr 2 a p p e a r e dt oh a v eai n c r e a s e dw e n da f t e ra nd e c l i n e t h em l s so fr 1d e c l i n e df r o m 4 4 1 0 m g lt o3 0 8 0 m g li n1 5 d a y s ，a n dt h e n r i s e ds l o w l y , a t5 1 mi n c r e a s e dt o i i i a b s t r a c t 4 2 9 0 m g l t 1 1 em l s so fr 2d e c l i n e df r o m4 5 6 0 m g lt o2 7 8 0 m g li n4 8 d a y s ，a n d t h e nr i s e dt o3 8 6 0 m g l a t1 3 8 m n l es v l 3 0o fr 1d e c l i n e df r o m1 2 4 m l gt o4 4 m l g i 1 15 0d a y ss t r a i g h t l ya n dt h e nt e n d e dt os t a b i l i z e t h es v l 3 0o fi 匕w a s1 2 9 6 m l ga t t h eb e g i n n i n g ，a n dd e c l i n e dt o6 6m l ga t12 8 ma n dt r e n d e dt os t a b i l i z et h e n 3 1 1 l er e m o v a lr a t i o so fc o da n dn h 3 ni i lr 1w e r e8 1 a n d7 1 w h e nr 2 w a s7 4 a n d6 5 k e yw o r d s ：i n d u s t r i a lw a s t ew a t e r ；a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g e ；h d i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 好氧颗粒污泥及其形成机制 1 1 1 概述 废水生物处理就是通过微生物自身的新陈代谢作用把废水中有机污染物质 转化为新的微生物自身物质和简单无机盐并从废水中去除的过程【l 】。传统活性污 泥法虽然污染物去除率高，但存在污泥易膨胀，泥水分离效果差、剩余污泥脱 水困难等缺点【2 】o 上世纪8 0 年代l c t t i n g a 教授掣3 1 在升流式厌氧污泥床( u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ，u a s b ) 发现了厌氧污泥的颗粒化现象。厌氧颗粒污泥 沉降性能好、有机负荷高( 可达4 0 k g m 3 d 1 ) 【4 】。厌氧颗粒污泥技术已经成功用 于多种有机废水的处理，如制糖废水、啤酒废水和屠宰废水等【5 】。但厌氧颗粒污 泥技术也存在一些不足。首先，厌氧颗粒污泥工艺一般需要2 8 个月才能完成 启动，工艺需在运行在3 0 条件下，能耗较耐6 】；其次，厌氧颗粒污泥的优势在 于处理高浓度有机废水，但出水c o d 仍较高，需要后续处理，因此并不适合处 理低浓度有机废水；此外，厌氧颗粒污泥工艺对氮、磷的去除能力有限。近年 来，好氧颗粒污泥技术开始得到关注。 基于好氧颗粒污泥的形成机理，目前几乎所有关于好氧颗粒污泥的培养实 验都是在序批式生物反应器( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r , s b r ) 中进行。 1 1 2 好氧颗粒污泥定义 2 0 0 4 年举行的第一届好氧颗粒污泥国际研讨会对好氧颗粒污泥进行了统一 的定义：好氧颗粒污泥是在一定水力剪切力作用下形成的沉降速度远远高于普 通活性污泥絮体的源于微生物的聚集体颗粒【7 】。2 0 0 6 年举行的第二届好氧颗粒 污泥国际研讨会对其定义作了进一步的解释，包括源于微生物的聚集体、水力 剪切力作用、沉降性能、最小尺寸和培养方法等，当一种微生物聚集体颗粒同 时满足上述特征时，即可称为好氧颗粒污泥f 8 】。 1 1 3 好氧颗粒污泥基本特征 1 1 3 1 形态特性 第1 章绪论 好氧颗粒污泥外观与絮状活性污泥不同，肉眼即可观察到颗粒。好氧颗粒 污泥外形比较规则，接近球形或椭球形1 9 1 ，成熟的颗粒污泥表面相对光滑，颗粒 之间分界明显，颜色一般橙黄色或浅黄色，如图1 1 所示。颗粒表面有大量孔隙， 可深达9 0 0 1 u n ，距离表面3 0 0 - 5 0 0 1 t r n 处孔隙率最高，这些孔隙是氧、基质、代 谢产物在颗粒内部的传递通道。研究表明，颗粒污泥粒径太小，由于沉降速度太 慢，容易随出水流出。并且，粒径太小会导致孔隙率太高而形不成厌氧和缺氧 区，影响处理效果；粒径太大，传质阻力过高，则代谢产物、溶解氧、营养物 质等不能顺利进入颗粒内部，颗粒内部微生物由于缺乏足够养份而自溶形成空 腔，导致颗粒破碎。t a y 等【l0 】认为，好氧颗粒污泥粒径最好不大于1 6 r a m 。 图1 - 1 好氧颗粒污泥外形图片 1 1 3 2 物理性质 1 1 3 2 1 密度、强度及含水率 相比于普通活性污泥，好氧颗粒污泥密度较大，相对密度一般稳定在 1 0 0 8 9 e r a 3 【1 0 】。强度是好氧颗粒污泥性能的一项重要指标，强度较低的好氧颗粒 污泥在运行时容易破裂。强度一般用完整系数表示，完整系数是好氧颗粒污泥 在2 0 0 r m i n 摇床上振荡5 m i n 后完整颗粒污泥数量和原数量之比。颗粒污泥密度 和强度均随粒径的增加而减小【l l 】。含水率也是衡量好氧颗粒污泥性能的重要指 标，含水率越低的颗粒污泥其剩余污泥后续处理成本越低。相比于普通絮状污 泥大于9 9 的含水率，好氧颗粒污泥含水率一般在9 7 9 8 【1 0 1 。 1 1 3 2 2 沉降性能 污泥沉降性能常用污泥体积指数( s l u d g ev o l u m ei n d e x ，s v i ) 和沉降速度来表 示。s v i 可以反映出污泥紧实程度。相比于普通絮状活性污泥s v l 3 0 一般高达 1 0 0 1 5 0 m l g ，好氧颗粒污泥s v l 3 0 较低，一般在3 0 - - - 6 0 m l g 【1 2 】。好氧颗粒污泥 沉降性能与颗粒污泥的结构和粒径有关，粒径越大，沉降速度越高。但粒径大 2 第1 章绪论 于4 0 m m 后，沉降性能反而下降。好氧颗粒污泥沉降速度一般在8 1 5 c m s ，高 于普通絮状污泥l l3 。 1 1 3 2 3 疏水性 疏水性在好氧颗粒污泥形成过程中起到了重要作用。好氧颗粒污泥是由活 性污泥中微生物相互聚集形成。微生物细胞表面疏水性越高，根据吉布斯自由 能理论，其表面自由能越低，这有利于促进固液分离和微生物。d u r m a zb 等【1 4 】 在研究发现好氧颗粒污泥形成后其细胞表面疏水性由原来的4 2 增加到6 5 。 1 2 好氧颗粒污泥形成机理 颗粒污泥的形成过程是一个包含物理、化学和生物作用的复杂过程，其形 成机理目前仍不十分清楚，相关研究者从物理、生物、热力学等角度出发，提 出了若干假说。 1 2 1 晶核假说 ql e t t i n g a 等1 5 】在1 9 8 0 年首先提出晶核假说，其理论基于好氧颗粒污泥的 形成类似于化学反应中的结晶过程。晶核来自反应器运行时产生的不可溶无机 盐或其他微小杂质，细菌依附于晶核上不断增殖形成聚集体，并最终成长为颗 粒状菌团。j j h e i j n e n 等【l6 】在1 9 9 3 年实验发现，在s b r 中投加一定量直径 o 1 m m 球状惰性微粒有利于好氧颗粒污泥的形成。j p v a nd e r h o e k 等【1 刀在s b r 反应器中投加钙离子，发现添加钙离子的颗粒污泥形成速度高于对比项。2 0 0 8 年刘丽等【1 8 】通过元素示踪法研究钙离子在好氧颗粒污泥内部的分布情况，发现 颗粒污泥中心的钙离子数量远高于其他位置。 近几年，在原晶核假说的基础上，部分学者提出“二次成核”理论，认为微生 物菌群所依附的晶核不是来自外部物质，而是由反应初期的微小菌团衰亡破碎 后形成1 1 9 j 。 1 2 2 选择压驱动假说 基于好氧颗粒污泥的形成需要较强水力选择压，如曝气量、沉降时间等。j h t a y 等学者f 2 0 】在2 0 0 2 年研究发现在不同的曝气量对硝化颗粒污泥形成时间和 强度有影响，认为在好氧颗粒污泥形成时，曝气的作用除了提供溶解氧，还有 提供选择压的作用。x h w a n g 等【2 1 j 在2 0 0 7 年发现过高和过低的选择压均不利 3 第1 章绪论 于好氧颗粒污泥的形成。选择压过高，污泥流失严重，无法形成颗粒污泥。选 择压过低，形成的颗粒污泥强度低、易破裂。 1 2 3 细胞表面疏水性假说 该假说认为细胞表面疏水性是好氧颗粒污泥形成的主要原因。b m w i l e n 等发现接种污泥中疏水性菌种比例与好氧颗粒污泥形成速度呈正比例关系， 部分证实了该假说。 1 2 4 胞外多聚物假说 胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 主要是由多聚糖和蛋白 质组成。研究发现，胞外多聚糖可以调节细胞的聚合和粘连的作用。y a n g 等【2 4 】 在2 0 0 8 年采用凝胶渗透色谱( g p c ) 法对颗粒污泥形成各阶段e p s 成分和含量进 行表征，结果发现，在颗粒污泥形成过程中，其e p s 中多聚糖比例增加。w a n g 等【2 5 】通过测定污泥中e p s 含量得出e p s 是好氧颗粒污泥形成主要原因的结论。 l w h u l s h o f fp o l 等【2 6 】也通过实验证明e p s 的成分和含量可影响到污泥沉降性 能。j e s c h m i d t 等【2 7 】采用实验分析与数学模拟相结合的方法揭示了e p s 的形成 途径。c d ii a c o c i 等【2 9 在总结前人基础上提出了胞外多聚物假说模型。 1 2 5 阶段形成假说 yl i u 等【2 9 1 于2 0 0 4 年提出好氧颗粒污泥形成的四个步骤：( 1 ) 活性污泥中 微生物通过水流作用和自身运动等相互碰撞接触；( 2 ) 范德华力、表面张力等促 使细胞相互吸引凝聚，形成微小的聚集体；( 3 ) 细胞自身分泌更多的e p s ，加强 细胞间的凝聚作用，无数微小的聚集体通过水流作用相互碰撞，凝结成更大的 菌团。( 4 ) 在水力选择压作用下，去除某些聚集性差、不利于形成颗粒污泥的菌 种，使颗粒污泥菌团成为优势菌种，并最终不断增殖，形成好氧颗粒污泥。 倪丙杰、俞汉青等【3 0 】在四步骤假说基础上提出三阶段假说：第一阶段，微 生物细胞相互碰撞吸附，形成微小菌群；第二阶段，菌群继续增长，形成初生 颗粒污泥；第三阶段，微生物细胞表面分泌的e p s 和水力选择压共同作用，为 初生颗粒污泥的继续成长提供有利环境。 三阶段假说充分考虑了好氧颗粒污泥形成的各种因素，既有微生物自身的 作用，如e p s ，又有外部环境的因素，如需要水力选择压等，并且吸收了细胞表 面疏水性假说和晶核假说的部分成果，对好氧颗粒污泥形成机理阐释比较全面。 4 第1 章绪论 1 3 好氧颗粒污泥形成的影响因素 好氧颗粒污泥的形成关系到一系列物理、化学和生物变化。 1 3 1 有机负荷 同生物膜法一样，好氧颗粒污泥是微生物增长速度与衰亡微生物破裂随出 水排出速度达到动态平衡的过程【3 l 】。有机负荷与好氧颗粒污泥的粒径及强度密 切相关，有机负荷越高，微生物增殖速度越快，所形成的颗粒污泥粒径越大， 但强度较低1 3 2 。前人试验表明有机负荷在1 5 1 5 k g m 3 - d 1 情况下均可形成好氧 颗粒污泥【3 3 。3 6 1 。l i u 等【3 4 】试验发现在有机负荷从3 k g m - 3 d 。1 增加至9 k g m - a d 1 时， 所形成的颗粒污泥平均粒径由0 2 m m 增至1 9 r a m ，并且强度随之降低。已有研 究表明，表观气流上升速度2 0 4 0 c m s ，有机负荷6 - - 8 k g m - a d j 时，形成的 好氧颗粒污泥粒径高达6 l l m m ，结构松散，沉降性能差，易破碎随水流出【3 7 9 1 。 1 3 2 基质成分 基质是微生物新陈代谢等生物活动的能量来源，颗粒污泥中微生物种类和 数量与废水中营养盐成分密切相关。实验发现，以葡萄糖为主要碳源培养出的 颗粒污泥表面以丝状菌为主，而以醋酸钠为主要碳源培养出的颗粒污泥则以杆 状菌为主，并且相对密度高于前者 4 0 , 4 1 1 。基质成分越复杂，其形成的好氧颗粒污 泥内微生物的种类也越多，除污和抗冲击负荷能力也越强【4 2 1 。 1 3 3 水力剪切力 水力剪切力是好氧颗粒污泥形成的重要因素。在s b r 反应器中，剪切力主 要来自于气流污泥、水流污泥、污泥一污泥之间的相互碰撞。反应器中保持较 高的流体剪切力有利于好氧颗粒污泥的形成和稳定运行。 l i u 和t a y 等h 3 1 在实验中发现，只有当s b r 中表观气体上升流速大于 1 2 c m s d 时才能形成好氧颗粒污泥。气体上升流速越高，形成的好氧颗粒污泥越 紧实【删。 q i n 等发现，随着水力剪切力的增加，微生物细胞将分泌更多的e p s ，并且 e p s 中多聚糖的比例也相应增大，这有利于颗粒污泥的形成【4 5 1 。 1 3 4 沉降时间 沉降时间也好氧颗粒污泥能否形成的重要参数。好氧颗粒污泥的形成是一 5 第l 章绪论 个不断优选淘洗出絮状污泥的过程。研究发现，沉降时间2 0 m i n 时，反应器内 不能形成好氧颗粒污泥1 4 6 。沉降时间1 0 - - 1 5 m i n 时，虽然能培养出好氧颗粒污 泥，但强度较差，易松散。只有当沉淀时间1 - 5 m i n 时，才能培养出良好的颗 粒污泥 4 6 , 4 7 。 1 3 5 水力停留时间( h r t ) 好氧颗粒污泥的形成是h r t 、排水比、沉降时间三者共同作用提供选择压 不断对颗粒污泥优化选择的过程。当其他两者固定时，在一定范围内，运行周 期越短，排泥频率越高，选择压更强【4 8 , 4 9 , 5 0 】。 已有研究证明，s b r 运行周期与好氧颗粒污泥的形成有关。p a n 等 4 9 】发现， 有机负荷4 k g m 3 - d 1 时，h r to 5 h ，系统内的污泥全部被排出；h r t1 2 h ，初期 形成的好氧颗粒污泥会逐渐被絮体污泥取代；只有h r t1 6 h 时，才可以培养出 稳定的好氧颗粒污泥。 1 3 6 反应器结构 迄今为止，几乎所有关于好氧颗粒污泥的报道都是基于柱状上流式反应器 的。在柱状反应器中，上升的水流或气流可在反应器纵轴方向形成较为均匀的 环流，根据热力学原理，在同一方向持续较强的剪切作用下，微生物趋向于形成 球体来缩小表面自由能，以达到更加稳定的状态，以达到更加稳定的状态【5 。相 反，在完全混合推流式反应器中，污泥絮体做无规则运动，很难形成稳定的颗 粒污泥【5 2 1 ，柱状上流式和完全混合推流式反应器流态如图1 2 所示。 基于以上原理，提高反应器的高径比( h d ) ，延长环流路程，可促进好氧颗 粒污泥的形成，目前实验室研究h d 通常取1 0 一1 2 。 o 环囱运动麓机运动 图1 2 柱状上流式反应器和完全混合型反应器流态 1 3 7d o 、p h 值和温度 好氧生物处理法需要氧气的参与。s f y a n g 等【5 3 1 发现当d o 0 5 m g l 时，微 6 第1 章绪论 生物的反硝化作用会受到抑制。b s m c s w a i n 等晔】发现过低的d o 会导致微生 物代谢速率减慢，饥饿期缩短，污泥颗粒不稳定。 p h 值对好氧颗粒污泥的形成影响不大，p h6 5 8 0 条件下都能培养出好氧 颗粒污泥1 5 5 。 温度对好氧颗粒污泥形成期的影响比成熟期后要大。m k d ek r e u k 等【5 6 j 发现在8 c 条件下启动反应器培养出的颗粒污泥s v l 8 达到1 5 3 m l g 一，沉降性能 较差。而如果好氧颗粒先在2 0 条件下培养至成熟期后，再把温度降至8 ， 颗粒仍能保持稳定。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 国外部分 好氧颗粒污泥的研究开始于2 0 世纪9 0 年代初的荷兰d e l f t 大学，是在厌氧 颗粒污泥基础之上发展起来的。 19 9 1 年，m i s h i m a 和s h i n 等【5 刀在纯氧曝气条件下利用升流式好氧污泥床反 应器( a e r o b i cu p f l o ws l u d g eb l a n k e t ，a u s b ) 成功培养出了好氧颗粒污泥，但因 持续纯氧曝气，缺乏反硝化所需的缺氧条件，颗粒污泥不能脱氮除磷。d e b e e r 等【5 8 】采用进水预先曝气的方法培养出了硝化颗粒污泥，但硝化能力只有 0 3 6 k g m 3 d 一。 1 9 9 2 年，s h i n 等【5 9 】利用两套搅拌速度分别是3 r m i n 和6 r m i n 的a u s b 装置 培养好氧颗粒污泥，结果r i 中发生污泥膨胀，r 2 在第5 天形成了粒径o 5 2 o m m 的好氧颗粒污泥。 1 9 9 7 年，m o r g e n r o t h 掣6 0 】成功地在s b r 中以葡萄糖为碳源培养出好氧颗粒 污泥，自此，s b r 模式开始被广泛采用，相关研究迅速展开。 2 0 0 0 年，b e u n 等【6 1 】提出水力停留时间、水力剪切力、沉降时间是好氧颗粒 污泥形成的主要影响因素，并认为s b r 反应器培养好氧颗粒污泥具有特别优势。 2 0 0 3 年，b e u n 等【6 2 】比较了s b a r ( s e q u e n c i n gb a t c h a i r l i f tr e a c t o r ) 、s b r 和 b a s ( b a t c ha i r l i f ts u s p e n s i o n ) 三种反应器，发现在有机负荷、沉降时间等参数均 相同的情况下，s b a r 中可同步发生硝化反硝化过程。 2 0 0 6 年，t a y 掣6 3 】发现好氧污泥颗粒化是絮状污泥_ 菌群聚集体_ 颗粒污 泥的过程。 7 第1 章绪论 2 0 0 9 年，i v 趾o v 【“】和x u 6 5 1 】等发现好氧颗粒污泥的多隙结构可吸附重金属 离子，并建立了好氧颗粒污泥吸附重金属离子的模型。l i n 6 6 1 】等研究了好氧颗粒 污泥的贮存和再启动能力。t s u n e d a 【6 7 1 】等研究了不同曝气模式下好氧颗粒污泥的 脱氮能力， 2 0 1 0 年，y a n g 等 6 8 】研究了氨浓度对好氧颗粒污泥形成的影响，发现只有在 氨浓度小于2 3 5 m g f l 时才能形成好氧颗粒污泥；o k n 等【6 9 】在厌氧好氧缺氧s b r 系统中研究了好氧颗粒污泥的除磷能力，利用好氧颗粒污泥实现了高效、稳定 的除磷脱氮效果，颗粒污泥对氨氮、总无机氮、磷和有机物( c o d ) 的去除率分别 达到8 9 2 9 8 9 ，8 1 3 8 9 4 ，8 6 8 9 0 o 和8 2 7 - - 9 6 6 。 2 0 1 1 年，s c h 眦z e n b e c k 【7 0 j 研究了好氧颗粒污泥处理含酚废水的能力。实验 结果表明，在微氧状态下颗粒污泥对c o d c ，有较高的去除率，产气量较高；适当 增加d o 浓度，有利于p c p 达到彻底脱氯；而d o 浓度较高时，不仅不利于c o d o 的去除以及p c p 的脱氯，而且吹脱作用会导致周围空气的污染。 1 4 2 国内部分 1 9 9 6 年，管运涛等【_ 7 1 】研究了投加c a ( o h ) 2 对颗粒污泥形成的促进作用。在 c a ( o h ) 2 浓度5 0 0 m g l 、h r t6 h 条件下培养出颗粒污泥。同年，清华大学竺建 荣等【7 2 】采用厌氧好氧交替工艺通过运行条件的选择成功培养出好氧颗粒污泥。 颗粒粒径0 5 1 5 m m ，m l s s4 0 4 , - 6 8 8 e d l ，s v i2 0 , - 4 5 m l g 。 2 0 0 1 年，卢然超等【_ 7 3 】考察了不同运行条件对好氧颗粒污泥形成和脱氮除磷 效果的影响。 2 0 0 2 年，白晓慧【7 4 】等在普通s b r 活性污泥工艺中，通过对h r t 、d o 和曝 气量的控制培养出可沉降性好的好氧颗粒污泥，改善了泥水分离效果。 2 0 0 3 年，杨麟等【7 5 1 在s b r 中成功培养出能够同步硝化反硝化的好氧颗粒 污泥。 2 0 0 4 年，王荣昌等【7 6 】在在s b r 反应器内增加载体生物膜，发现形成了粒径 2 5 m m - 5 m m 的白色绒球状颗粒，几乎没有形成好氧颗粒污泥。同年，蓝惠霞等 7 7 1 进研究好氧颗粒污泥处理制浆废水的能力。 2 0 0 5 年，王芳、杨凤林等【7 3 】发现采用混合碳源进水可减少丝状菌性膨胀。 2 0 0 6 年，安鹏等【7 9 】分析了不同粒径颗粒污泥对污染物的去除效果，发现粒 径大小对颗粒污泥c o d 、氨氮的能力影响不大，但对总氮去除影响明显，在粒 8 第1 章绪论 径0 5 一1 0 m m 、1 0 1 5 m m 、 1 5 m m 三组区间中，粒径1 o 1 5 m m 的去除效果 明显好于其他两组。 最近几年，好氧颗粒污泥的研究开始逐渐向应用发展，培养基质不再是实 验室人工配水，更多的采用成分复杂的实际废水。 2 0 0 7 年，汪善全等【s o 】采用高浓度难降解的v c 生产废水可以在s b r 反应器中 培养出好氧颗粒污泥转化母液反应器中污泥实现完全颗粒化，得到的好氧颗粒 污泥粒径为0 2 1 5 m m ，平均沉降速度为311 2m h 一，精制或提取母液反应器中污 泥部分颗粒化，得到的颗粒粒径为0 5 2 5 m m ，平均沉降速度为2 6 3 m h 1 。由于形 成好氧颗粒污泥，反应器系统表现出良好的运行性能，在进水c o d 1 0 0 0 1 5 0 0 m g l 以时去除率达n 8 0 左右。 2 0 0 8 年，刘莉莉等【8 i 】进行了好氧颗粒污泥降解聚丙烯酰胺废水的研究，形 成的颗粒污泥m l s s9 8 0 0 m g l ，s v i3 9 m l g ，对聚丙烯酰胺平均去除速率达 2 3 m g ( l h ) 。 2 0 1 0 年，周延年等 8 2 】以工业园废水为原水，在s b r 中培养好氧颗粒污泥。 并培养出且密实的好氧颗粒污泥，但形状不规则。运行7 0 d 后，污泥s v l l o 2 6 m l g ，颗粒化率8 0 ，颗粒粒径0 3 - 4 ) 5 m m 。c o d 去除率7 3 8 0 ，色度去除 率9 0 - 9 5 ，出水水质优于传统活性污泥法。 2 0 11 年，刘力伟等 8 3 1 应用好氧颗粒污泥技术进行青霉素生产废水的处理研 究。通过对好氧颗粒污泥长期的培养驯化后，经过3 0 多天的连续运行进水试验， 控制进水负荷0 5k g c o d ( m 3 d ) 左右，c o d 去除率在9 0 左右，每次进水c o d 的按比例调整增加，出水c o d 也相应的变化升高，之后稳定在一个数值范围， 当反应器完全进青霉素废水，反应器出水c o d 稳定在9 0 0 m g 1 ，污泥浓度在5 5 胡。 与传统的工艺比较，好氧颗粒污泥对此种青霉素废水处理，c o d 的去除具有高 效性。同时对进出水氨氮和总磷的监测，去除率达到了8 0 以上。 1 4 3 当前存在问题 由前文国内外研究现状可知，通过对运行模式的控制，很多研究人员都在 s b r 反应器中成功培养出了好氧颗粒污泥，但仍存在以下问题： ( 1 ) 运行条件严格，颗粒稳定性差。好氧颗粒污泥的形成与污染物质种类、 有机负荷、d o 、水力剪切力、沉降时间等一系列运行参数有关，这些条件之间 又互相牵制。当前好氧颗粒污泥形成机制还仅仅停留在猜想阶段，运行参数的 9 第1 章绪论 选择既缺乏理论模型，实际经验数据也不是很多。 ( 2 ) 停留在实验室研究阶段，难以实际应用。目前大部分研究仍是采用人 工配水，成分高度单一。少数采用实际工业废水或城市生活污水培养出好氧颗 粒污泥的研究，也仍处于实验室研究阶段，反应器容积从数升到十数升不等。 ( 3 ) 反应器高径较大，曝气成本高。基于水流动力学理论，为有效形成上 下环流与局部涡流，很多实验室研究s b r 装置高径比一般在1 2 左右，个别甚至 达到1 6 。这样的高径比，根本无法实际应用，如高径比取1 0 ，按最小1 0 吨的 体积设计，有效高度超过1 0 m ，曝气阻力超过1 0 0 k p a ，即使罗茨风机，都无法 提供如此大的压力。同样，基于水力剪切力理论，实验时在曝气量的选择上不 是像传统活性污泥法一样，根据有机负荷等计算实际需氧量，而是采用气体上 升速度作为曝气量标准，运行成本大。 1 5 本实验研究目的、内容及意义 1 5 1 研究目的及内容 针对好氧颗粒污泥研究当前存在的问题，本实验拟解决如下三点问题： ( 1 ) 实际工业废水 ( 2 ) 中试规模 ( 3 ) 低高径比 参考近年来国内外好氧颗粒污泥研究的相关报道，实际工业废水的培养实 验如v c 生产废水、青霉素生产废水、含聚丙烯酰胺、工业园区废水等均有相关 研究，但无一例外停留在实验室规模，有些甚至只是人工配水掺杂少量工业废 水。少数中试实验采用的也是低有机负荷的市政生活污水，如中国科技大学倪 斌杰、俞汉卿等畔1 2 0 0 9 年设计的一套6 m 3 的中试实验和安徽建筑工业大学梅子 鲲、刘少根等【8 5 2 0 1 0 年设计的1 8 0 m 3 反应器。同时具备中试规模和实际工业废 水两种条件的相关研究至今未见报道。过大的高径比对好氧颗粒污泥的形成有 利，却难以走向实际应用，本实验拟采用较低的高径比。尽管很多研究表明大 的高径比对好氧颗粒污泥的形成有利，但近年来已有实验证明在h d2 8 、内设 导流筒的条件下可以培养出s v l 3 03 2 5 3 m l g 的好氧颗粒污测8 6 1 ，涂亮等8 7 】在 h d1 2 、有效体积6 m 3 的中试规模s b r 中培养出s v i3 0 m l g 的好氧颗粒污泥。 2 0 1 1 年吉林农业大学罗小勇等f 8 8 】采用直径2 5 c m 、高8 0 c m 、h d4 的s b r 装置 1 0 第1 章绪论 研究好氧颗粒污泥对糠醛的降解，培养出的好氧颗粒污泥s v i4 3 2 6 m l g ，c o d 去除率大于9 7 。 本实验计划设计两套s b r 装置，有效容积分别为8 0 l 和6 0 0 l ，h d4 ，进 水水质相同，通过运行参数的调控研究好氧颗粒污泥在两个反应器中的形成情 况、所形成颗粒污泥性质和对污染物的去除效果。 1 5 2 研究意义 目前我国绝大部分污水处理厂仍是采用传统活性污泥法，传统活性污泥法 一直存在沉降性差、泥水分离困难、占地面积大、剩余污泥量大、污泥处置费 用高等问题，近年越来越突出。好氧颗粒污泥以其结构紧实、沉降性能好、污 泥产量少、反应器占地面积小等优点受到广泛关注。但当前好氧颗粒污泥的研 究仍停留在实验室阶段，进水大部分采用模拟配水、反应器容积较小，本实验 为好氧颗粒污泥工艺在工业水领域从实验室走向实际应用提供参考。 1 5 3 研究思路及方法 ( 1 ) 提出研究课题。 ( 2 ) 参阅大量文献，确定试验方案。 ( 3 ) 确定废水、接种污泥来源和试验场地。 ( 4 ) 设计并加工出试验装置。 ( 5 ) 根据前人研究，确定运行参数，进行好氧颗粒污泥的培养试验。 ( 6 ) 记录反应各阶段颗粒污泥的形成情况和污染物的去除效果。 ( 7 ) 分析数据，得出结论。 第2 章原水概况、试验装置与分析方法 第2 章原水概况、试验装置与分析方法 2 1 原水概况 本试验用水来自江苏省南京市六合化工园内赫克力士化工( 南京) 有限公司， 实验装置设在该厂污水处理池旁。 赫克力士化工( 南京) 有限公司主要生产羟乙基纤维素( h e c ) ，羟乙基纤维素 是一种白色或淡黄色，无毒无味的纤维状固体，通常由碱性纤维素与环氧乙烷 醚化反应制得。由于羟乙基纤维素具有良好的增稠、乳化、成膜和保持胶体水 分等特性，已被广泛用于石油开采、建筑、纺织、高分子聚合反应等领域。 该公司采用目前较为先进的液相法生产羟乙基纤维素，需要经过碱化和醚 化两道工序。碱化过程：将棉花纤维用机器剪碎后，投入2 的n a o h 溶液中蒸 煮1 小时后，用8 0 的热水冲洗3 次，烘干；烘干后的棉花纤维在2 0 4 0 。c 条 件下用1 8 n a o h 溶液浸渍半小时，用板框压滤机压出浸渍液。醚化过程：将活 化的羟乙基纤维素投入叔丁醇、乙二醇混合溶剂中；然后加入环氧乙烷，搅拌 半小时后，加入乙酸p h 值调至“7 ；按活化纤维素：乙醇质量比l ：1 0 的比例 用无水乙醇洗涤3 次，洗涤后的活化纤维离心出水分，并在7 0 条件下烘干8 小时，制得成品羟乙基纤维素。图2 1 是液相法制备羟乙基纤维素工艺图。 图2 - 1 液相法生产h t c 工艺流程简图 该工艺废水中主要成分是乙二醇、叔丁醇、羟乙基纤维素等，表2 1 是原水 水质情况。 1 2 第2 章原水概况、试验装置与分析方法 该公司废水需在厂内预处理，达到六合化工园污水处理厂接管标准后才能 排入园区污水厂，并在那里进一步处理，达到国家标准后排放长江。园区纳管 标准如下表2 2 所示： 表2 2 园区纳管标准 为达到园区污水厂接管标准，该公司采用厌氧好氧联合工艺处理。图2 2 是该公司污水处理工艺流程图。厌氧段采用上流式厌氧污泥床( u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb e d ，u a s b ) t 艺，好氧阶段采用载体流动床( c a r ) 工艺。在进 入u a s b 前，原水需先进入调节池稀释，稀释水来自集水池的初期雨水、冲洗 水、生活污水等。并投加尿素、磷酸二氢钠、硫酸等改善碳、氮、磷比例和p h 值。u a s b 出水经过两级c b r 处理后，出水满足园区接管要求。表2 3 反映了 各阶段污染物去除情况。 1 3 第2 章原水概况、试验装置与分析方法 初 期 雨 水 原 水 图2 - 2u a s b c b r 工艺流程图 出 水 污 泥 外 廷 2 2 试验装置 本试验采用两套序批式生物反应器r ( s b r ) ，分别为r 1 和r 2 。r l 有效容积 8 0 l ，r 2 有效容积6 0 0 l ，高径比均为4 。反应器柱身采用有机玻璃材质，曝气 和进水设在底部。采用一只三路时控开关自动控制进水、曝气、排水过程。反 应装置结构、运行模式和设备清单见图2 - 3 、2 - 4 、表2 4 、2 5 。 1 4 第2 章原水概况、试验装置与分析方法 图2 - 3s b r 装置示意图 e x tc y c l e 图2 - 4 运行模式图 表2 4 r l 反应器设备清单 1 5 圈 第2 章原水概况、试验装置与分析方法 第2 章原水概况、试验装置与分析方法 2 3 分析项目和检测方法 2 3 1 水质 水质测定方法按照水和废水监测分析方法( 第四版) 所列标准和其他相 关标准。废水水质测定项目和方法见表2 - 6 表2 - 6 水质分析检测方法 项目 检测方法 溶解氧( d o ) 化学需氧量( c o d e r ) 五日生化需氧量 ( b o d s ) 氨氮( n h 3 n ) 总磷( t p ) 悬浮固体浓度( s s ) p h 温度 便携式溶解氧仪法( b ) 快速密闭催化消解分光光度法( b ) e t 9 9 7 2 4 微电脑b o d 测定仪 纳氏试剂分光光度法( a ) 钼锑抗分光光度法 0 4 1 a m 滤膜过滤残渣1 0 3 1 0 5 c 烘干至恒重所得质量与原水样 体积比 玻璃电极法 玻璃温度计 2 3 2 污泥性质 污泥沉降指数( s v l 3 0 ) ：混合液在1 0 0 m l 量筒中，静置沉淀3 0 分钟后，下层 污泥容积( m l ) 污泥干重( g ) 。 混合液悬浮固体浓度( m l s s ) ：1 0 0 m l 混合液定性滤纸过滤残渣1 0 3 1 0 5 烘 干2 小时所得质量原混合液体积。 粒径分布：湿式筛分法，取孔径1 5 、1 0 、o 5 、0 2 5 m m 标准筛各一只，用 磷酸缓冲溶液做冲洗液，将颗粒污泥样品依次透过1 5 、1 0 、o 5 、0 2 5 m m 筛网， 收集各筛网颗粒污泥，烘干称重，可反映粒径分布情况。 1 7 第2 章原水概况、试验装置与分析方法 图2 - 4r 1 反应器内部 图2 - 5r 2 曝气盘安装位置 图2 - 6 电气控制柜 麓 1 8 图2 7 浮球液位开关 图2 - 8 电磁阀 图2 - 9 钛烧结微孔曝气头 图2 1 03 路时控开关 第2 章原水概况、试验装置与分析方法 图2 1 1 安装现场图 图2 1 l 运行图 1 9 第3 章好氧颗粒污泥培养及特性研究 第3 章好氧颗粒污泥培养及特性研究 3 1 试验目的 1 通过运行参数的控制，在r 1 、r 2 反应器中培养好氧颗粒污泥，观察颗 粒污泥的形成情况，并分析颗粒污泥s v l 3 0 、m l s s 、粒径分布。 2 考察好氧颗粒污泥对c o d 、氨氮的去除效果。 3 2 试验装置 图3 - 1 好氧颗粒污泥培养s b r 实验装置示意图 3 3 进水水质 本试验进水取自u a s b 厌氧池出水，原水c o d 高达2 4 9 0 0 m g